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ORC-Dampfexpansionsmotor nutzt Abwärme zur effizienten Verstromung

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze

ORC-Dampfexpansionsmotor mit Messtechnik

© Devetec GmbH

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 3Realisierung
Standort Saarbrücken
Projektfahrplan Weiterentwicklung und Optimierung des ORC-Dampfexpansionsmotors, Aufbau von 4 Feldtestanlagen bei Partnern zur Demonstration der Abwärmenutzung von unterschiedlichen Abwärmeströmen in der Industrie und in Kombination mit erneuerbaren Energien. Im Rahmen des Verbundprojekts Entwicklung neuer organischer Fluide und eines Wärmetauscherkonzeptes für stark schadstoffbelastete Abgase, Analyse und Monitoring der Betriebsweisen und der Ergebnisse der Dauerlaufversuche.
Träger DeVeTec GmbH, Steag New Energies, Evonik Industries AG
Projektthemen

Projektbeschreibung

Eine der bedeutsamsten Herausforderungen der Zukunft ist die effiziente und wirtschaftliche Nutzung der verfügbaren Energieträger zur Stromproduktion. Gegenwärtig gehen ca. 75 % der eingesetzten Primärenergie als Abwärme für die weitere Nutzung verloren. Unternehmen, die diese bei industriellen Prozessen entstehenden Abwärmeströme nicht ungenutzt in die Umwelt abgeben, sondern wiederverwerten, können schon heute einen entscheidenden Beitrag zum Klima- und Umweltschutz leisten.

Um dieses Potenzial zu nutzen, hat DeVeTec einen neuen Dampfexpansionsmotor - integriert in ein ORC-System - entwickelt, der es erlaubt, aus Abwärme, direkt verwertbaren Strom zu erzeugen.

Projekt

Im Rahmen eines Feldtestprogramms wird der ORC-Dampfexpansionsmotor im Dauerbetrieb erprobt, Optimierungen an den  Motorkomponenten und am Wärmeübertragungssystem vorgenommen und verschiedene Betriebsweisen des Motors gefahren. Weitere Projektaufgaben sind die Entwicklung neuer organischer Medien für Temperaturbereiche über 400°C und unterhalb 200°C sowie die Entwicklung eines Wärmetauschers für stark schadstoffbelastete Abgase.

Die Entwicklung der neuen Arbeitsmedien wird durch Evonik Industries AG durchgeführt. Hierzu wurden im ersten Schritt mit Hilfe von Prozesssimulation geeignete Arbeitsmedien ausgewählt und deren Effizienz theoretischen untersucht. In einer Versuchsanlage wird nun bei DeVeTec zusammen mit dem Projektpartner Evonik der Einsatz dieser Medien unter realen Betriebsbedingungen getestet. Die theoretisch ermittelten Effizienzwerte können so in der Praxis nachgewiesen werden.

In einem weiteren Teilprojekt befasste sich die Schott AG mit Wärmetauschern zur Energiegewinnung aus schadstoffbelasteten Abgasen: Zur Erzeugung elektrischer Energie aus heißen Abgasen muss deren Temperatur zur Erzielung hoher Wirkungsgrade möglichst hoch sein. Wannenabgase der Glasindustrie mit bis zu 1.000 °C sind potenziell verfügbar. Kritisch sind ihre Partikelbelastung sowie kondensierbare und korrosive Inhaltsstoffe. Wärmetauscher für solche extremen Einsatzbedingungen gibt es bisher nicht. Somit erweitert das Projekt das Spektrum verfügbarer Wärmetauscher zur Energieerzeugung aus industrieller Abwärme. Wärmetauscher-Prototypen aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit verschiedenen Abreinigungssystemen werden im Abgasstrang von Glasschmelzwannen eingebaut und über mehrere Monate betrieben, wobei Prozesstemperaturen und Mediendurchsätze kontinuierlich erfasst werden. Die Bewertung der einzelnen Prototypen erfolgt hinsichtlich der gewonnenen Wärmemenge in Abhängigkeit von der Einsatzdauer und der Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe. Projektziel ist es, bis Ende 2012  über ein Wärmetauschersystem verfügen zu können, das in einer hochkorrosiven Umgebung bei Temperaturen bis 700 °C dauerhaft einsetzbar ist.

Der Schwerpunkt des neu entwickelten ORC-Systems liegt darin, Wärme aus regenerativen Energiequellen als auch niedertemperierte Abwärme (< 400°C) aus Industrieprozessen, die bisher nicht sinnvoll verwertet werden konnten, zu verstromen. Hierzu wurde ein neuartiger Dampfexpansionsmotor entwickelt. Dieser fungiert als Arbeitsmaschine in einem Dampfkreisprozess, der jedoch anstelle von Wasser ein organisches Fluid verwendet. Dieses Fluid zeigt bei niedrigeren Temperaturen ein wesentlich besseres thermodynamisches Verhalten als Wasser auf. Somit lässt sich aus niedertemperierter Abwärme direkt verwertbarer Strom erzeugen. Kurz: Aus Abwärme wird hochwertiger Strom – CO2-neutral. Dabei weisen die Wärmeströme unterschiedliche Charakteristika hinsichtlich konstanter Verfügbarkeit und  Menge des Abgases, der Belastung mit Schadstoffen und der Temperatur auf.

Konzept

Um die vielen dezentralen Wärmequellen mit thermischer Leistung von weniger als 4 MW nutzen zu können, bedarf es neuer Lösungen für Leistungsbereiche von 50-300 kWel. Hierzu wurde ein ORC-Modul entwickelt, das sich variabel im Leistungsbereich von 100 bis 200 kWel  betreiben lässt. Als Arbeitsmaschine wird eine Kolbenmaschine benutzt, die hinsichtlich Wirkungsgrad, Einstellbarkeit auf unterschiedliche Abwärmeparameter und Nutzung von diskontinuierlichen Wärmeströmen Vorteile gegenüber den üblicherweise benutzten Turbinen im ORC-Prozess besitzt.

Daneben wird als Arbeitsfluid Ethanol benutzt, das für Temperaturbereiche > 300 °C sehr gute thermodynamische Eigenschaften besitzt und einen hohen elektrischen Gesamtwirkungsgrad erzielt. Durch den Ansatz der Direktverdampfung des organischen Mediums lassen sich zusätzlich Bauteile für einen ORC-Prozess reduzieren und somit Kostenersparnisse realisieren. Damit werden speziell auch Industrieanwendungen für den ORC-Prozess aufgrund der resultierenden Paybackzeitreduzierung auf 4 – 6 Jahre je nach Anwendungsfall erschließbar.

Finanzierung

Das Projekt wird durch Drittmittel der Industriepartner, durch die Förderung im Rahmen von EnEff:Wärme sowie durch Eigenmittel und Risikokapital des Projektführers DeVeTec finanziert.

Realisierung

Im Zeitraum von 2009 bis 2013 werden mit Industriepartnern vier Feldtestanlagen mit dem neuartigen ORC-Dampfexpansionsmotor aufgebaut. Das Besondere daran: Die Wärmeströme weisen jeweils unterschiedliche Abgas-/Abwärmequalitäten, Schadstoffbelastungen, Temperaturniveaus sowie Verfügbarkeiten auf. So wird neben dem Dampfexpansionsmotor selbst auch eine jeweils optimale Kombination aus Wärmeübertragungssystem und Arbeitsfluid gesucht -  wobei als Standardfluid Ethanol für Temperaturen > 280°C benutzt wird. Die Anlagen werden an einer Biogasanlage, in einem Chemiepark, einer Glashütte und einem metallverarbeitenden Betrieb installiert.

Optimierung, Wirtschaftlichkeit

Ziel des Feldtests ist es neben der Erprobung und dem Dauerbetrieb auch die Wirtschaftlichkeit von ORC-Anlagen im Leistungsbereich von 100–200 kW zu erreichen und je nach Anwendungsfall Amortisationszeiten zwischen 3 und 5 Jahren zu realisieren. Dabei sollen sowohl ein Modell für ein Contracting mit Energiedienstleistern als auch ein Modell für den Eigenbetrieb von Industrieunternehmen erarbeitet werden.

Evaluierung

Die im Rahmen des Feldtest-Programms aufgebauten Anlagen an verschiedenen Abwärmequellen werden in einer nachgeschalteten 4-jährigen Beobachtungs- und Monitoringphase analysiert.


Zusätzliche Informationen:

Forschung, Planung
DeVeTec GmbH
Forschung, Betreiber, Energiedienstleister
Evonik Industries AG, Marl
Forschung
SCHOTT AG
Betreiber, Energiedienstleister
STEAG New Energies GmbH
Dienstleistungen
Henkelhausen GmbH & Co. KG